556 MECHANIK NR 7/2017

Kształtowanie formy budynków wysokich w świetle badań i analiz związanych z oddziaływaniem wiatru

Shaping the forms of tall buildings in light of research and analyses associated with the influence of wind

ROMAN PARUCH * DOI: https://doi.org/10.17814/mechanik.2017.7.71

Rozwój budownictwa wysokiego, związany z realizacją coraz wyższych budowli o nietypowych kształtach, pociąga za sobą konieczność poszukiwania alternatywnych, a zarazem stosun-kowo niedrogich rozwiązań projektowych, pozwalających na ograniczenie niekorzystnych wpływów aerodynamicznych. W artykule przedstawiono reprezentatywne uwarunkowania formy budynków wysokich, umożliwiające redukcję skompli-kowanych zjawisk aerodynamicznych w otoczeniu obiektu.SŁOWA KLUCZOWE: architektura budynków wysokich, budy-nek wysoki, oddziaływanie wiatru, badania tunelowe

The development of the construction of high-rise buildings that is associated with the building of taller and taller build-ings with atypical shapes leads to the search for alternative and, at the same time, inexpensive design solutions that us to limit adverse aerodynamic influences. Representative con-ditions regarding the form of tall buildings that allow the re-duction of complicated aerodynamic phenomena that occur around a structure have been presented in the paper.KEYWORDS: the architecture of tall buildings, tall building, influence of wind, wind tunnel analysis

W  zależności  od  analizowanego  zagadnienia  defini-cja  budynku wysokiego może  przyjmować  różne  formy. W zakresie obciążeń zewnętrznych działających na ele-menty  nośne  obiektów  wysokościowych  adekwatnym określeniem jest budynek ekstremalny. Skala oraz zakres sił działających bezpośrednio na taki budynek oraz zjawi-ska zachodzące w jego najbliższym otoczeniu często nie mają prostego odniesienia do materiałów źródłowych, ja-kimi są normy branżowe [1] lub wytyczne projektowe oraz wykonawcze. Geometria budynku ekstremalnego jest nie-odłącznie związana z  jego znaczną wysokością, docho-dzącą nawet do 1000 m, licząc od powierzchni terenu. Ta wysokość jest powodem powstawania znaczących obcią-żeń, niejednokrotnie przekraczających założenia normo-we opracowane dla standardowych sytuacji projektowych obiektów inżynierskich. Problematyka projektowa budyn-ku wysokiego dotyczy zwłaszcza zagadnień związanych z  ograniczeniem  przemieszczeń  poziomych  budynku oraz z zapewnieniem jego sztywności przestrzennej, od-powiedniego posadowienia  i  odporności  na dynamiczne działanie wiatru czy sił sejsmicznych.Światowy trend, widoczny chociażby w Azji i na Bliskim 

Wschodzie,  związany  z  projektowaniem  i  wznoszeniem coraz wyższych obiektów, wymaga od projektantów usta-lenia faktycznych obciążeń pochodzących od wiatru, od-powiadających dokładnej  lokalizacji budynku wysokiego. Wśród wszystkich sił działających na przedmiotowy obiekt podstawowe znaczenie ma obciążenie wiatrem. Skorelo-

*  Mgr inż. Roman Paruch (rparuch@pk.edu.pl) – Instytut Projektowania Budowlanego, Politechnika Krakowska

Rys. 1. Wykres zależności wysokości budynku do wielkości obciążenia wiatrem [2]

wana zależność pomiędzy wysokością budynku a wielko-ścią oddziaływań klimatycznych (w formie zjawisk aerody-namicznych) przedstawiono na rys. 1 [2].Kluczowym wyzwaniem  podczas  projektowania,  zwią-

zanym z działającymi obciążeniami, jest odpowiedni dobór systemu  konstrukcyjnego  z  jednoczesną  optymalizacją jego  wymiarów  geometrycznych.  Istniejące  rozwiązania konstrukcyjne  różnią  się  przede  wszystkim  sposobem przekazywania sił – poziomych od wiatru i sejsmicznych – na fundamenty. Realizacja budynku wysokiego nie może się opierać jedynie na przyjęciu bardzo sztywnej konstruk-cji,  która  byłaby  odpowiedzią  na  działające  obciążenia zewnętrzne.  Podjęte w  pracach  [3,  4]  badania  i  analizy podstawowych zagadnień aerodynamicznych oraz przed-stawione w pracy [5] zależności pozwalają na sklasyfiko-wanie  geometrii  systemu  konstrukcyjnego.  Koniecznym uzupełnieniem  przedstawionych  analiz  są  badania  opi-sujące redukcję niekorzystnych wpływów aerodynamicz-nych poprzez zmiany architektoniczno-geometryczne przekroju poprzecznego budynku [6–8].

Badania i analizy wpływu zjawisk aerodynamicznych związanych z oddziaływaniem wiatru na budynek wysoki

Współczesne  budynki  wysokościowe  przełamują  ste-reotyp wieżowca  jako przeszklonego prostopadłościanu. Coraz bogatsza wiedza z zakresu aerodynamiki i zjawisk zachodzących  wokół  budynków  ekstremalnych  pozwa-la  na  realizację  obiektów  o  skomplikowanych  formach, nawiązujących  często  do  tradycji,  religii  bądź  historii.  L.H. Sullivan, słynny chicagowski architekt, uznawany za prekursora współczesnych budynków wysokich, mawiał: Obecna musi być w nim siła i moc wysokości. W każ-dym swoim calu musi być dumny i podrywać się do lotu, od czubka po fundament musi być całością bez jednej

choćby linii sprzeciwu  [9]. Weryfikacja statyczno-wytrzy-małościowa elementów nośnych budynku z uwzględnie-niem  zagadnień  dynamicznych,  zgodnie  z  zaleceniami normy Eurokod 1 [1] dla obiektów wysokościowych, musi być  poparta  dwiema metodami  badawczymi:  badaniami w  tunelach aerodynamicznych oraz analizą danych uzy-skanych z badań na rzeczywistym modelu przez system nowoczesnej  aparatury  pomiarowej  [10]. Wysokość  od-niesienia określona w normie  [1] oraz schemat blokowy zaprezentowany na rys. 2, dotyczący obiektów o znacznej wysokości, pozwalają na określenie obszarów obciążenia budynków wysokich wzdłuż wysokości.

padku modyfikacji  kilku  typów przekrojów poprzecznych budynków wysokich można uzyskać różnicę w wielkości współczynnika oporu aerodynamicznego Cx  rzędu 40%. Badania  [2]  przeprowadzone  przez  RWDI  (Consulting  Engineers  &  Scientists)  określiły  również  zagadnienia zmiany geometrii  budynku wysokościowego w odniesie-niu do otworów zastosowanych wewnątrz obiektu, pozwa-lających na przepływ mas powietrza przez  jego wnętrze (rys. 5).

Rys.  2.  Graficzny  schemat  blokowy  wysokości  odniesienia,  ilustrujący obszary obciążenia według normy [1]

Profesor A. Flaga w swoich opracowaniach sformułował podstawowe pojęcia charakteryzujące opływ mas powie-trza wokół budynku,  takie  jak: punkt oderwania warstwy przyściennej, położenie  i parametry geometryczno-aero-dynamiczne warstwy ścinanej, parametry geometryczno--aerodynamiczne  śladu  aerodynamicznego,  cyrkulacja strumienia  wokół  budynku.  Obraz  graficzny  opisanych zjawisk zachodzących wokół budynku przedstawiono gra-ficznie w pracy [8]. Wyniki badań przeprowadzone w tune-lach aerodynamicznych przez H. Hayashide i Y. Iwasa na czterech  formach  architektonicznych,  z  uwzględnieniem późniejszej modyfikacji ich przekroju poprzecznego bazo-wego, wykazały znaczącą zmianę wymienionych wcześ- niej parametrów. Badane przekroje poprzeczne pokazano na rys. 3.Otrzymane  wyniki  badań  wskazały  na  jednoznaczną 

korelację pomiędzy zmodyfikowanym kształtem przekroju porzecznego  a  zjawiskami  opływu  powietrza  wokół  bu-dynku wysokiego. Wyniki i zależności korelacyjne przed-stawiają diagramy na rys. 4.Podobne badania przeprowadził K. Kwok w 1995 r. Ba-

dania [6], podobnie jak analizy [8], wykazały, że w przy-

Rys. 3. Kształty i kierunki obciążenia badanych przekrojów [8]

Rys. 4. Zależności korelacyjne związane ze zmianą przekroju poprzecz-nego jako odpowiedź całego budynku [8]

Rys. 5. Schematy badanych kształtów rzutu poziomego budynku [2]

MECHANIK NR 7/2017 557

558 MECHANIK NR 7/2017

Realizacje budynków wysokich w odniesieniu do przedstawionych badań i analiz

Przedstawione  uwarunkowania  aerodynamiczne  wraz z wynikami badań mają odzwierciedlenie w  realizacjach współczesnych  budynków  wysokościowych.  Pierwszym reprezentatywnym  obiektem  jest  Taipei  101  o  wysoko-ści 509 m, wybudowany na Tajwanie. Geometria piono-wego przekroju poprzecznego budynku należy do grupy form  skomplikowanych,  które  w  badaniach  [3]  uzyskały niskie oceny dotyczące jakości konstrukcji. W tunelu ae-rodynamicznym badano [2] wpływ zmiany przekroju geo-metrycznego rzutu budynku jako formy architektonicznej na  zjawiska  aerodynamiczne  oraz  wielkości  obciążenia wiatrem. Wprowadzenie do pierwotnej geometrii budynku (prostopadłościanu) modyfikacji narożników spowodowa-ło redukcję zjawisk aerodynamicznych o 25% (rys. 6).

Godnym  uwagi  obiektem,  w  którym  uwzględniono  wyniki badań zaprezentowanych w pracach [6, 8, 9] jest Pearl  River  Tower  o  wysokości  310  m,  znajdujący  się w Guangzhou w Chinach, zaprojektowany przez pracow-nię SOM. Przekrój poprzeczny tego budynku zmodyfiko-wano, aby umożliwić przepływ wiatru przez jego przekrój. Przyjęte rozwiązanie nie tylko zmniejszyło skalę oddzia-ływań aerodynamicznych na budynek, lecz także zapew-niło dostarczenie dodatkowej energii elektrycznej wytwo-rzonej przez  turbiny wiatrowe umieszczone we wnętrzu budynku. Stan budynku zrealizowanego w 2012  r. oraz uwarunkowania  aerodynamiczne  przedstawiono  na  rys. 7.

Podsumowanie

Przedstawione  wyniki  badań  i  analiz  uwarunkowań zjawisk aerodynamicznych wynikających ze zmiany geo-metrii  przekroju  poprzecznego  budynku wysokiego  sta-nowią  skuteczne  rozwiązanie  –  nie  tylko  teoretyczne, lecz także praktyczne, z sukcesem zastosowane w przy-toczonych  w  artykule  reprezentatywnych  przykładach budowli.  Realizacja  coraz  wyższych  budynków  o  nie- typowych kształtach wymusza poszukiwanie alternatyw-nych metod ograniczania niekorzystnych zjawisk wywo-łanych  obciążeniem  wiatrem  oraz  siłami  sejsmicznymi. Istniejące  systemy  konstrukcyjne  budynków  ekstremal-nych, wspomagane przez specjalne mechanizmy stabi-lizujące,  zapewniają  prawidłowe  przeniesienie  oddzia-ływań  zewnętrznych,  jednakże  przyszłość  budownictwa wysokiego  będzie  związana  właśnie  z  alternatywnymi rozwiązaniami  architektonicznymi  i  konstrukcyjnymi,  pozwalającymi  na  optymalizowanie  drogich  konstrukcji nośnych.

Rys. 6. Rzut typowej kondygnacji budynku Taipei 101 oraz modyfikacje narożników budynku badane w tunelu aerodynamicznym [2]

Rys. 7. Budynek Pearl River Tower w Guangzhou: a) widok elewacji południowej, b–c) obrazy zjawisk aerodynamicznych zachodzących wokół budynku [11]

LITERATURA

  1.  PN-EN 1991-1-4. Eurokod 1. Oddzia-ływania  na  konstrukcje.  Cześć  1–4: Oddziaływania Ogólne – Oddziaływa-nia wiatru.

  2.  Irwin P.A.  “Wind issues in the design of tall buildings”. RWDI, Los Angeles Tall Building Structural Design Coun-cil, 2010.

  3.  Rychter  Z.  „Wpływ  kształtu  wieżow-ców na jakość konstrukcji”. Architectu-rae et Artibus. 2 (2013).

  4.  Lipiecki  T.  „Oddziaływanie  wiatru  na budynki  wysokie  w  świetle  badań własnych  i ujęć normowych”. Budow- nictwo i Architektura.  12,  2  (2013):  s. 143–150.

  5.  Paruch  R.  “Impact of wind on tall buildings from the perspective of the development of architectural forms and structural systems”. Mechanik. 7 (2016).

  6.  Kwok K.C.S. “Aerodynamics of tall bu-ildings”. A State of the Art in Wind En-gineering.  New  Delhi:  Wiley  Eastern Limited, 1995.

  7.  Melbourne W.H. “Bluff body aerodyna-mics for wind engineering”. Internatio-nal Conference on Wind Engineering. New Delhi, 1995.

  8.  Hayashida H., Iwasa Y. “Aerodynamic shape effects of tall building for vor-tex induced vibration”.  Kyoto,  Japan, 1988.

  9.  Sullivan  L.H.  Lippincott`s Magazine. 1896.

10.  Antecki  P.,  Wdowicki  J.  „Budynek D-Wang  Tower  –  konstrukcja  i  ob-liczenia”. Inżynieria i Budownictwo. 3 (2011).

11.  SOM: www.som.com.  ■

a) b)

c)